发动机技术巡礼(1) 福特GTDi发动机详解

　　【太平洋汽车网 技术频道】福特2.0L GTDi发动机在国内最早是被配置于2011款的福特蒙迪欧-致胜上。这款汇集了涡轮增压和缸内直喷等先进技术的GTDi发动机，在动力输出上比大众的TSI和通用的EcoTec T更为出色。本文将为大家详细解析一下福特用在蒙迪欧-致胜之上的GTDi发动机。

● 发动机基本参数：

● GTDi的含义

　　GTDi是Gasoline、Turbocharged以及Direct Injection的缩写，表示的是发动机是汽油发动机，带有涡轮增压以及缸内直喷技术。先进的涡轮增压技术以及缸内直喷技术，使得排量只有2.0L的福特GTDi发动机能表现出大排量发动机的功率输出以及柴油发动机的高扭力特性。 

　　在对福特2.0L EcoBoost GTDi发动机进行深入的分析前，我们先来看看这个官方的视频对此发动机有一个感性的认识。虽说是官方视频，但这里面其实有一处不严谨的地方，大家看完本文再回看视频就会很容易察觉到，答案将在末页的文章中揭晓。

● 福特2.0L EcoBoost GTDi发动机身世之谜

　　EcoBoost燃油直喷涡轮增压发动机技术在美国已经获得了125项专利及专利应用。EcoBoost V6是EcoBoost系列发动机的第一个产品，被搭载于2007年林肯MKR概念车之上。这款V6发动机采用了福特Duratec 35 V6发动机机体，并把燃油压力提升到190bar来进行缸内直喷；与此同时，盖瑞特（Garrett）GT15涡轮增压器以170000rpm运转，并提供1.06bar的进气压力。该发动机的设计可以输出相当于典型的6.0 L 或者更大的V8发动机的动力，同时比V8发动机又能提高15%的燃油经济性和降低温室气体排放。正是因为这种发动机技术在提升动力的同时能降低排放，所以才命名为EcoBoost，中文含义可理解为“促进环保”。

　　言归正传，本文要重点讲述的2.0L EcoBoost GTDi发动机最早被用于2008年福特探险家美国版（Ford Explorer America）概念车上，动力输出被调教为275PS和380Nm。这款发动机宣布在拥有3.0L V6发动机的性能同时优化燃油经济性10%-20%，其正式量产时间是在2010年。当年的福特S-MAX、福特Galaxy和我们熟悉的蒙迪欧致胜都采用了这款发动机。

　　2011款蒙迪欧-致胜上采用的2.0L EcoBoost GTDi发动机有两个不同的版本，即高功率版本和低功率版本。采用高功率版本的蒙迪欧-致胜被标识为GTDi240，表明其可输出240PS的最大动力；而采用低功率版本的蒙迪欧-致胜被标识为GTDi200，表明其可输出203PS的最大动力。两款不同发动机的具体参数可参看文章开头列出的基本参数。

　　预计福特在2013年将在国内推出使用EcoBoost技术的1.6L和1.0L发动机。这两款新发动机将搭载在新款的福克斯及嘉年华车上。

● 高压共轨缸内直喷系统

　　在过去的燃油喷射系统中，喷油嘴在进气歧管中喷射汽油，汽油与空气混合后再进入气缸。这种传统的汽油喷射方式使得汽油会接触到进气歧管表面形成汽油壁膜，造成壁膜损失，增加油耗。而缸内直喷系统的喷嘴直接往气缸内喷射汽油，壁膜损失大大降低，从而提升燃油使用效率。

　　对于在进气歧管喷射的增压发动机，发动机爆震只有在加大喷油量，降低气缸温度后才可改善或消除，这导致了油耗的急剧升高。而使用缸内直喷技术的发动机直接把汽油喷到汽缸里，汽油因为气缸高温而雾化更好，气缸温度因为汽油雾化而降低，这样达到了一个双赢的局面——既控制了爆震也降低了油耗。

　　上面提到了缸内直喷技术的一些优点，下面来说说2.0L EcoBoost GTDi发动机的一些技术特点。

　　EcoBoost GTDi发动机的燃油喷射系统采用的是无回油形式，系统由低压燃油泵、高压燃油泵、油压传感器、油管及喷油嘴组成。

　　1）低压燃油系统：

　　在低压油路系统的控制逻辑如图所示。油泵控制模块（FPDM）通过高频信号驱动油泵，通过低压燃油压力传感器实现闭环控制。油路中具有单向阀，当油压达到125kPa时开启。标准的低压燃油压力范围为380kPa-620Kpa。发动机怠速时，油压稳定在320-340kPa。过压保护阀在830-930kPa时打开，泄放阀用于除去油管中的燃油蒸汽。

　　2）高压燃油系统：

　　高压油泵为单缸泵，由排气凸轮驱动，带有进油计量阀，泵油油压为15MPa。汽油在高压油泵中形成高压，经高压油管到达油轨，通过开启喷油嘴使得汽油能喷射到汽缸中。

　　油泵的结构如上图所示。

　　发动机的喷油嘴是7孔喷油嘴，汽油雾化状态和角度是可以调整的，汽油以一定精确的喷射角度喷射到燃烧室，因此喷油嘴上的喷孔采用了偏心的设置。精确的汽油喷射角度防止任何汽油在喷油器打开时雾化。

　　偏心设计的喷孔要求精确的喷油嘴校正。在安装喷油嘴时，必须注意安装位置。每个喷油嘴的塑料插销必须插到油轨的狭缝中，固定夹必须安装在正确的位置上。在每个喷油嘴和各自在油轨上的固定座上都有一个固定夹，这些固定夹用于固定喷油嘴，这就保证了喷油嘴和汽缸盖上的燃烧室开口的精确配合。

　　3）工作模式

　　EcoBoost的缸内直喷系统有两种模式：1.均质模式、2.催化器加热模式。虽然是缸内直喷，但EcoBoost没有采用分层喷注模式。

　　当发动机在正常工作温度时，混合气按照均质工作模式产生。在这个模式下，空燃比为理论空燃比14.7:1（即空气与汽油的质量比为14.7:1）。汽油喷射是在进气行程，这样有足够的时间让汽油与新鲜空气混合。在均质模式下，燃烧很大程度上相当于一个非直喷发动机的工作模式。

　　当发动机温度较低时，催化器加热工作模式可以用二次喷射为三元催化器提供快速的加热。第一次喷射同均质工作模式一样从进气行程开始，第二次发生在压缩行程，当进气门关闭后快速喷射，这样就形成一个浓的油核围绕在火花塞周围。点火时刻被推迟，这样尽可能多的燃烧余热可以进入排气管，从而到达三元催化器。

关于缸内直喷技术的详细解析，可参看以下文章：

● 废气涡轮增压系统

　　这款发动机采用了与排气歧管集成在一起的废气涡轮增压系统，其具体结构如图所示。

　　以下是废气涡轮增压系统中几个主要部件的功能说明及工作逻辑：

　　1）增压压力控制电磁阀

　　废气涡轮系统的增压压力受压力控制电磁阀控制，最大增压压力为120kPa，发动机控制单元通过占空比信号调节增压压力。真空控制执行器上的压力取决于增压压力及电磁阀上通电电压占空比。当占空比在80-90%，排气旁通阀全开；当占空比在20时，排气旁通阀全关。

　　2）回风阀

　　回风阀是一个机械装置，通过压力差控制，安装在涡轮进气侧。打开时，增压的空气又会回流到涡轮的进气侧，从而使涡轮增压器的转速得到保持。回风阀的作用是在节气门突然关闭的情况下，消除节气门和涡轮增压器之间的背压。这种背压会造成增压压力损失以及导致节气门寿命降低。回风阀在增压压力和进气歧管压力差超过24kPa时打开。

　　3）空气流量计（MAF）

　　空气流量计用于测量发动机的进气量，发动机管理系统采用这个信号计算喷油时间、燃油压力、点火时刻、涡轮增压压力、发动机负荷以及换挡控制。如果空气流量计失效，系统会采用进气压力传感器（MAP）的信号作为替代信号计算进气量。空气流量计的供电电压为12V，采用5V的信号逻辑电平。

　　发动机管理系统通过监测空气流量计的信号频率来计算空气流量，信号的频率是随着空气流量的增加而提高的。如果此信号失效，发动机管理系统将利用25℃的固定值代替该信号。

　　4）进气压力及温度传感（MAPT）

　　MAPT位于中冷器出口处，发动机管理系统通过这个传感器测量增压后的空气压力和温度。如果MAPT传感器失效，发动机管理系统将排气旁通阀完全开启，限制涡轮增压器的增压压力，发动机动力输出被限制了。

　　5）进气压力传感（MAP）

　　进气压力传感器被安装在进气歧管上，该传感器与MAFT（空气流量和进气温度传感）协同工作。它们提供的信号用于计算空气流量。

关于涡轮增压技术的详细解析，可参看以下文章：

● 可变气门正时技术

　　福特2.0L EcoBoost GTDi发动机除了使用上述先进的涡轮增压与缸内直喷技术外，还采用了iVCT进排气门可变正时技术。我们所熟知的可变气门正时技术包括本田的VTEC（带气门扬程控制）、丰田D-VVT、宝马VANOS等。由于通过涡轮增压系统对发动机进气量已能实现精确控制，因而该发动机只采用了气门正时技术而没有加入气门扬程控制，简化了机械结构。（在本文开头的那个视频中，进排气侧的正时机构都是有4个油腔的。而在真实的2.0L EcoBoost GTDi发动机中，排气侧油腔数只有3个而且每个油腔中都带有1个回位弹簧。）

　　可变气门正时系统中，正时齿轮所带动的齿盘与凸轮轴之间有一定的自由量。通过油压控制齿盘与凸轮轴之间的角度差，就能实现对气门提前或延时关闭的效果，这样发动机就能够根据发动机负载，在各个转速区域都有很好的进排气效果，提升发动机效率。

　　福特2.0L EcoBoost GTDi发动机的iVCT气门可变正时技术源自2.3L Duratec-HE发动机，并在此基础上增加了排气门可变正时机构。该发动机的进排气门可变正时机构的最大可调角度为25度凸轮轴转角（2.3L Duratec-HE发动机的进气门最大可调角度为17.5度凸轮轴转角）。为降低发动机的后期养护成本，2.0L EcoBoost GTDi发动机采用了终生免维护的正时链条设计。

● 位于发动机底部的平衡轴

　　四缸发动机的一个天生的缺陷就是平顺性不好，因而在发动机内部都会设计有平衡轴用于抵消发动机内部振动。其原理是使用偏心轴旋转产生与发动机振动相反的振动从而实现消振的效果。与大众2.0TSI或者通用2.0T ECOTEC位于气缸底部两侧的双对旋平衡轴有所不同，福特2.0L EcoBoost GTDi发动机的平衡轴位于气缸底部。从效果上说位于气缸底部两侧的双对旋平衡轴的消振效果更胜一筹，但由于采用了链条传动，加大了发动机结构复杂性，使得发动机不太紧凑。

关于可变气门正时技术的详细解析，可参看以下文章：

　　总结：EcoBoost技术的实际意义在于通过小排量发动机成功实现媲美大排量发动机的高输出功率及柴油发动机的高扭力特性，同时降低15%的二氧化碳排放和提升约20%的燃油经济性表现。

　　通过涡轮增压、缸内直喷以及可变气门正时技术，2.0L EcoBoost GTDi发动机基本实现了上面提到的技术指标。

　　在短暂测试过福特蒙迪欧致胜EcoBoost 2.0L GTDi240以后，我们的感觉如下：

　　1.该车动力非常强劲，提速非常快，换挡顿挫感很轻微（这是双离合变速箱的功劳）。

　　2.在路况较好的城市道路驾驶，顶多只会用到半油门。如果激进一点使用全油门加速，你的车不到10秒就会超速100%（实测百公里加速时间为7.8s）。

　　3.油耗方面，我们粗略估计了一下该车的油耗，该车百公里油耗在7.8-8L左右。这样的油耗表现对于一台拥有240PS/340Nm的车子来说算是相当低了。

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